Escuela Politécnica de Cuenca Unidad Temática 12 Arquitectura Técnica Lección 42 BLOQUE TEMÁTICO 3 UNIDAD TEMÁTICA 12 LECCION 42 PORTICOS METÁLICOS

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1 BLOQUE TEMÁTICO 3 UNIDAD TEMÁTICA 12 LECCION 42 PORTICOS METÁLICOS 1

2 INDICE 12.1 CONCEPTO Y FUNCION Convenio de signos Cálculo Secciones utilizadas y Empalmes 12.2 ORGANIZACIÓN CONSTRUCTIVA Articulaciones Nudos de Esquina Clave Unión de correas con portico MARQUESINAS MÉNSULAS ARCOS 2

3 12.1 CONCEPTO Y FUNCIÓN Cuando el elemento estructural de la cubierta y el elemento de soporte de esta no se consideran separados sino conformando un sistema estructural conjunto, estamos ante el concepto de pórtico. En estructuras metálicas, a diferencia de las de hormigón, este sistema estructural, el concepto de pórtico se aplica, de manera particular, al caso en que la viga del dintel se ha quebrado para materializar la pendiente de la cubierta (fig.12.1) Este elemento estructural compuesto ha tenido un extraordinario auge en la realización de edificios de tipo industrial, deportivo, etc., gracias a los avances logrados en las uniones. Además, gracias a su aspecto ligero, sustituye en muchas ocasiones a las clásicas cerchas, con la ventaja, al no tener tirante, de no disminuir la capacidad interior del edificio (caso, p.ej. de pabellones deportivos, etc). Y en aquellas construcciones en las que la iluminación es importante, pueden construirse lucernarios con suma sencillez. Todo esto justifica el extraordinario desarrollo de este tipo estructural, cuyo proyecto, si bien no requiere en principio ningún conocimiento especial, precisa, sin embargo, de unas ideas generales para examinar los puntos críticos del cálculo y detalles constructivos, ya que, normalmente en los pórticos, los nudos son rígidos, dando continuidad a la forma y a la distribución de los esfuerzos. En la organización de las cubiertas, tiene la ventaja de adaptarse a la inclinación de los faldones, aprovechando mas el espacio interior al no disponer de tirantes. El sistema estructural de sustentación en los pórticos a dos aguas, puede ser: Triarticulado, constituyendo una estructura isostática Biarticulado (hiperestático) Biempotrado (también hiperestático) 3

4 Convenio de signos Se consideran como sentidos positivos de las acciones exteriores y de los esfuerzos, los indicados en las figuras respectivas 4

5 Cálculo Actualmente, estas estructuras suelen dimensionarse por el cálculo plástico. No obstante, en este apartado, se aplica el cálculo elástico, bastante más laborioso que el plástico. Inicialmente hay que elegir la clase de sustentación a emplear. El empotramiento en arranques reduce los momentos máximos y consigue una mayor rigidez transversal del pórtico frente a las fuerzas transversales, debidas a la acción del viento, seísmos, puentes-grúas, etc. Por el contrario: incrementa las solicitaciones en cimentación; precisa, generalmente, de sistemas más complicados de anclaje; y complica sustancialmente el análisis de la estructura, ya que el pórtico biempotrado es una estructura hiperestática de tercer grado. El pórtico biarticulado es de análisis más sencillo (hiperestaticidad de primer grado), precisa de menores volúmenes de fundaciones y bases de pilares más simplificadas, pues como se verá, en general, no es necesario recurrir a complicados sistemas de articulación. Los momentos máximos, debidos a las acciones transversales, son más importantes que para los pórticos biempotrados. El pórtico triarticulado es el más sencillo de calcular, pero los momentos máximos para todo tipo de cargas son superiores a los del biarticulado. Para confirmar lo dicho, se representa por separado a continuación, para un pórtico a dos aguas, con pilares y dintel de sección constante e igual inercia, los diagramas de momentos flectores, debidos: a una carga p uniformemente repartida sobre el dintel; a una fuerza horizontal, P, en uno de los nudos de esquina; y a una variación de temperatura Δt Para poder dar unos resultados comparables, se ha supuesto en las dimensiones del pórtico las relaciones siguientes: f = 0,10 l F = 0.20 l 5

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7 Secciones utilizadas y Empalmes Los pórticos se construyen, en general, empleando vigas de alma llena, cuyas secciones transversales pueden corresponder a perfiles normales o vigas armadas, según la importancia de las cargas exteriores A continuación indicamos algunas de las secciones más utilizadas. Son más favorables las disposiciones correspondientes a II, y vigas cajón, gracias a su mayor rigidez a la torsión, ya que la cabeza inferior de la viga en las zonas próximas a los nudos está comprimida, y si no se arriostra transversalmente, pueden pandear lateralmente 7

8 12.2. ORGANIZACIÓN CONSTRUCTIVA Al igual que vimos en el caso de los entramados de soportes y vigas, estructuralmente el pórtico se considera como una viga empotrada en dos soportes, por lo que en general se construyen empleando vigas de alma llena, cuyas secciones transversales pueden corresponder a perfiles normales o vigas armadas (fig a) o por entramados reticulares planos empleando para las barras perfiles o tubos, dependiendo de las acciones a las que esté sometido (fig b.) En el primer caso, las secciones mas utilizadas son perfiles en doble T o en H, y cuando el pórtico es de sección variable pueden cortarse los perfiles y se les sueldan palastros para adaptarse a las secciones. Otras secciones interesantes son las de vigas en cajón, formadas por acoplamientos de perfiles simples (fig 12.4.), generalmente del tipo UPN, que proporcionan mayor rigidez a torsión, ya que la cabeza inferior de la viga en las zonas próximas a los nudos está comprimida, por lo que puede pandear lateralmente Articulaciones Para los apoyos en articulación, deben seguirse las mismas condiciones que en el caso de las cerchas. Solamente cabe advertir que el sistema de rótulas con bulones (fig.12.5.a), es el mejor funcionamiento, pero también el mas costoso de ejecución, por lo que suele emplearse la placa con asiento curvo (fig.12.5.b), e incluso, si las solicitaciones no son elevadas, funciona también como articulación una basa sujeta al cimiento únicamente por dos tornillos que, a su vez, funcionan como anclajes y van colocados perpendicularmente a la sección transversal del pórtico, en el eje de la placa de asiento (fig.12.5.d) En las articulaciones siempre es favorable disminuir la sección del soporte en la zona de la rótula, lográndose así una semiarticulación formal, al reducirse considerablemente la inercia de la sección en dicha zona, consiguiendo a la vez, dimensiones más reducidas en la base (fig 12.6) 8

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11 Nudos de esquina Para que se cumpla la hipótesis de nudo rígido, la organización constructiva debe ser la adecuada. En el caso concreto de los nudos de esquina, consideradas como secciones críticas, se realizan las denominadas uniones de marcos, que no son mas que uniones rígidas reforzadas para soportar las elevadas solicitaciones a las que están sometidos los encuentro de la viga y el soporte El refuerzo de las esquina debe resistir las fuerzas que tienden a comprimir el alma del perfil. Puede efectuarse de diversas formas: a) Si se trata de un pórtico de pequeñas dimensiones puede ser suficiente la unión a tope por medio de placa frontal, de manera que esta se sitúe en la bisectriz que forma el encuentro (fig. 12.7) 11

12 b) También pueden disponerse refuerzos en la prolongación de las alas de los perfiles (fig.12.7.b). Aunque con esta disposición la zona rayada del alma sigue siendo un parte débil del nudo que habrá que comprobar, y reforzar en su caso, por lo que normalmente se diseñain soluciones que utilizan rigidizadores (fig 12.7.c) o amartelamientos del nudo, colocando refuerzos en los quiebros y diagonales (fig.12.8) En ocasiones, con el objeto de transmitir los esfuerzos sin cambios bruscos se opta por realizar un nudo de encuentro curvo, en este caso, los rigidizadores deben colocarse siguiendo la dirección radial (fig. 12.9) Clave 12

13 En los pórticos triarticulados la clave es una rótula. En general, para solicitaciones poco importantes suele recurrirse al empleo de semiarticulaciones, cerrando las barras del dintel con dos placas y realizando la unión por medio de tornillos calibrados dispuestos en la dirección normal al pórtico (fig a). Esta solución se mejora si se colocan dos piezas de dimensiones reducidas, que aumenten la capacidad de rotación de la sección (fig b) Si la clave se proyecta con unión rígida, hay que prever, en los cambios de dirección bruscos, además de refuerzos en las alas del perfil para equilibrar la fuerza resultante, los rigidizadores necesarios par que el alma soporte las flexiones que se producen en el quiebro. En la figura (12.11) se representan distintas soluciones, resueltas de manera similar al empotramiento viga-soporte visto con anterioridad A veces se diseñan pórticos para naves múltiples, resueltos de manera continua, formando una unidad, por lo que deben resolverse los apoyos dobles del dintel en los pilares centrales. Según las dimensiones pueden tener la condición de apoyo articulado o rígido, en función de su resolución. En las figuras (12.12.) siguientes se han resuelto soluciones diversas. 13

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15 Unión de correas con el pórtico En el caso de los pórticos, la unión de las correas de la cubierta con el dintel debe ser rígida para imposibilitar la rotación de la viga. Si la correa va apoyada, debe realizarse un amartelamiento, colocando tornapuntas de manera que sujeten el ala comprimida (fig a). Si la correa va embrochalada, se realiza una unión de viga continua, con la placa sobrejuntas para materializar la continuidad, y en aquellas que por cálculo lo precisen, puede realizarse un amartelamiento (fig b). También suelen disponerse, a 1/5 de la luz juntas de dilatación, mediante correas deslizantes, en los casos en que las dimensiones así lo exijan (fig.12.14) Uno de los problemas que se pueden plantear en este tipo de estructura es el pandeo lateral de la cabeza comprimida. Como se sabe, en las zonas próximas a las esquinas, es el ala inferior de la viga expuesta a este tipo de pandeo, ya que si las correas son de dimensiones reducidas, queda insuficientemente arriostrada. Se hace, pues, imprescindible, asegurar, en las secciones de encuentro del dintel y correas, la imposibilidad de rotación de la viga. Se puede asegurar la imposibilidad de este giro acartelado la correa de manera que sujete el ala comprimida, o colocando tornapuntas que la mantengan en su posición. NO ES IMPORTANTE ACARTELAR TODAS LAS CORREAS sino exclusivamente aquellas que, según las necesidades del cálculo del dintel del pórtico, lo precisen. 15

16 Unión Viga-Columna 16

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18 12.3. MARQUESINAS En el capítulo 10º, dentro de las vigas de celosía, incluimos las marquesinas, como estructuras trianguladas en ménsula. En realidad son estructuras reticuladas, constituidas por una cercha a un agua, en forma de voladizo, por lo que deben empotrarse en uno de sus extremos (fig a). El cordón superior de la cercha puede ser horizontal, resultando inclinado el inferior, en este caso reciben el nombre de consolas o palomillas (fig b) Disponiendo las marquesinas en cantilever, se obtienen las clásicas cubiertas de andenes (fig.12.16), en las que cada brazo trabaja con el cordón superior a tracción y el inferior a compresión, resultando equilibrados los esfuerzos. Cuando están empotradas en muros, el nudo superior debe realizarse con placa y anclajes que resistan la tracción a la que está sometida el cordón superior (fig a). Como la soldadura a tope no suele ser suficiente, se aumenta con cartelas y diafragmas (fig b). El nudo inferior debe resistir la compresión, siendo conveniente que la placa se situe perpendicular a la dirección de la resultante. 18

19 Si el empotramiento se realiza en soportes de acero, el nudo superior debe rigidizarse, con el fin de que se consiga la transmisión a toda la sección de la carga y un reparto uniforme con el fin de no deformar las alas del perfil (fig a). El nudo inferior debe así mismo rigidizarse con palastros para impedir el pandeo del alma y la deformación de las alas por aplastamiento (fig b) En las marquesinas de andén, al equilibrarse los esfuerzos, no existen problemas en los apoyos, ante cargas normales. Sin embargo, teniendo en cuenta la acción del viento, pueden originarse tracciones, que obliguen a un fuerte anclaje de las cimentaciones, debiendo solucionarse con basas resistentes a tracción MENSULAS 19

20 En las estructuras de las naves industriales suelen utilizarse sistemas de apoyo de elementos, como puentes grúa, etc., en los que este no puede hacerse coincidir con el eje del soporte, con lo que la excentricidad de la carga introduce unos momentos flectores y esfuerzos cortantes elevados, para lo que hay que disponer soluciones constructivas adecuadas. En el caso mencionado de los puentes grúa, inicialmente, puede resolverse el problema uniendo la viga carril del mismo, directamente al soporte, en cual se encuentra empalmado, con las secciones adecuadas a las solicitaciones (fig a). Sin embargo, es frecuente el uso de mensuras, que son elementos volados que trabajan a flexión, pero que no adquieren el carácter de viga-volada, si su vuelo v no supera la mitad de su canto h (fig b) Su resolución constructiva requiere la adecuada colocación de rigidizadores, con el fin de que el soporte reciba adecuadamente, los esfuerzos introducidos por la excentricidad del apoyo. 20

21 Las ménsulas son muy corrientes en las naves industriales, tanto de fabricación como almacenamiento, la utilización de puentes grúa para transportar dentro de ellas los elementos pesados. 21

22 12.5 ARCOS. Es una pieza de directriz curva que transmite, a dos apoyos distanciados entre sí, su propio peso y las sobrecargas a que estuviere sometido. Debe resistir sólo o principalmente a compresión para lo que su directriz pueda adaptarse lo más posible al antifunicular de las cargas, dando lugar a flexiones que el hormigón absorbe sobre todo en caso de luces moderadas. Se debe tener en cuenta también las deformaciones del arco debidas a las retracciones; esto, muy importante cuando la luz es grande, se corrige mediante el método ideado por Freyssinet de apertura en clave con X hidráulicos, añadiendo una nueva dovela y produciendo el alargamiento de la dirección cortada. Los apoyos del arco tienen q estar dispuestos para resistir además de las acciones verticales, los empujes en arcos con apoyo en articulación, o bien los empujes y momentos en arcos con apoyo en empotramiento. 22

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